Danh sách bài viết

Hệ thống định vị dưới nước không cần pin

Cập nhật: 12/10/2020

Các nhà khoa học hiện nay có trong tay bản đồ bề mặt Mặt trăng chính xác hơn so với đáy đại dương. Nhưng công nghệ định vị mới không cần pin của nhóm các nhà nghiên cứu ở MIT có thể thúc đẩy sự bùng nổ trong khám phá đại dương.

"Đói điện"

Cuộc sống hiện đại gần như không thể thoát khỏi hệ thống định vị toàn cầu GPS. Công nghệ này, dựa trên tín hiệu vô tuyến truyền qua vệ tinh, được sử dụng trong vận chuyển, điều hướng, quảng cáo nhắm mục tiêu, v.v... Kể từ khi được giới thiệu vào những năm 1970 và 1980, GPS đã thay đổi thế giới. Nhưng nó không thay đổi đại dương. Nếu bạn muốn trốn khỏi GPS, cách tốt nhất là xuống dưới nước.

Bởi vì sóng vô tuyến nhanh chóng suy yếu khi chúng di chuyển trong nước. Vì thế, liên lạc dưới biển thường phụ thuộc vào tín hiệu âm thanh. Sóng âm truyền đi nhanh hơn và xa hơn dưới nước so với trong không khí, trở thành một cách hiệu quả để gửi dữ liệu dưới nước. Nhưng sóng âm có một nhược điểm.

"Âm thanh rất ngốn điện", Fadel Adib, người dẫn đầu nghiên cứu mới ở Media Lab, MIT, cho biết. Để gửi thông tin (nhiệt độ, độ mặn của nước hay vị trí, v.v...) về bộ phận thu tín hiệu, các thiết bị đánh dấu trên biển phải tạo ra tín hiệu âm thanh và do đó hết pin rất nhanh. Vì thế rất khó theo dõi chính xác các đối tượng dưới biển trong một khoảng thời gian dài. Chẳng hạn, một thiết bị đánh dấu gắn vào một con cá voi đang di cư thì rất khó thay pin, hoặc một robot tự hành dưới biển sâu với lượng năng lượng hạn chế. Vì vậy, nhóm Media Lab đã tìm cách tạo ra thiết bị đánh dấu sử dụng âm thanh mà không tốn pin, có tên Underwater Backscatter Localization (UBL), nhờ dựa trên vật liệu áp điện.

Thiết bị đánh dấu mới sử dụng vật liệu và cảm biến áp điện.
Thiết bị đánh dấu mới sử dụng vật liệu và cảm biến áp điện.

Nguyên tắc vận hành

Vật liệu áp điện tạo ra điện tích riêng của chúng để phản ứng với ứng suất cơ học, giống như chúng được kích hoạt bởi sóng âm rung động. Sau đó, cảm biến áp điện có thể sử dụng điện tích mà vật liệu áp điện phát ra để phản xạ có chọn lọc một số sóng âm trở lại môi trường, thay vì tự tạo ra âm thanh. Bộ phận thu tín hiệu phiên dịch chuỗi phản xạ từ các thiết bị đánh dấu mang cảm biến áp điện, gọi là tán xạ ngược, thành dạng mã nhị phân: 1 (đối với sóng âm phản xạ) và 0 (đối với sóng âm không phản xạ). Kết quả là mã nhị phân thu được từ thiết bị đánh dấu có thể mang thông tin về nhiệt độ nước biển hoặc độ mặn.

Về nguyên tắc, công nghệ này cũng có thể cung cấp thông tin vị trí để định vị các vật thể dưới biển, như cá voi hoặc robot tự hành. Một bộ thu phát sóng có thể phát ra sóng âm, sóng âm đi đến thiết bị đánh dấu mang cảm biến áp điện và phản xạ lại thiết bị thu phát. Đồng hồ sẽ ghi lại thời gian sóng âm di chuyển, và dựa vào đó để tính khoảng cách giữa thiết bị thu phát và thiết bị đánh dấu mang cảm biến áp điện.

Nhưng trên thực tế, việc xác định thời gian tán xạ ngược như vậy rất phức tạp, bởi vì đại dương có thể là một buồng dội âm. Sóng âm thanh không chỉ truyền trực tiếp giữa thiết bị quan sát và cảm biến trên thiết bị đánh dấu mà còn bị ảnh hưởng bởi bề mặt và đáy biển, khiến cho thời gian di chuyển khác nhau tùy thời điểm. Những điều kiện môi trường phản xạ xung quanh sẽ gây nhiễu và làm cho việc tính toán vị trí trở nên phức tạp.

Các nhà nghiên cứu đã khắc phục vấn đề này bằng “nhảy tần”. Thay vì gửi tín hiệu âm thanh ở một tần số duy nhất, thiết bị quan sát sẽ gửi một chuỗi tín hiệu trên một dải tần số. Mỗi tần số có một bước sóng khác nhau nên sóng âm phản xạ trở lại đơn vị quan sát ở các thời điểm khác nhau. Bằng cách kết hợp thông tin về thời gian di chuyển và chênh lệch thời điểm giữa các tần số, người quan sát có thể xác định chính xác khoảng cách đến thiết bị đánh dấu mang cảm biến áp điện.

Nhảy tần đã thành công trong thử nghiệm mô phỏng vùng nước sâu, nhưng vẫn cần biện pháp bảo vệ bổ sung để loại bỏ tiếng ồn dội lại lớn hơn ở các vùng nước nông.

Trong môi trường nhiều tiếng vọng như vậy, các nhà nghiên cứu phải làm chậm dòng thông tin. Họ giảm tốc độ bit, về cơ bản là giảm tốc độ gửi tín hiệu. Cách này cho phép tiếng vọng của từng tín hiệu giảm đi trước khi có khả năng gây nhiễu cho tín hiệu tiếp theo. Trong khi tốc độ gửi 2.000 bit/ giây đủ để tránh nhiễu ở vùng nước sâu, các nhà nghiên cứu phải điều chỉnh xuống 100 bit/ giây ở vùng nước nông để thu được tín hiệu phản xạ rõ ràng từ thiết bị đánh dấu mang cảm biến áp điện.

Để theo dõi các đối tượng chuyển động, các nhà nghiên cứu phải tăng tốc độ gửi tín hiệu. Trong mô phỏng, 1.000 bit/ giây là quá chậm để xác định chính xác một vật thể mang thiết bị đánh dấu đang di chuyển qua vùng nước sâu với tốc độ 30cm/ giây. "Vào thời điểm bạn có đủ thông tin để khoanh vùng đối tượng, nó đã di chuyển khỏi vị trí cũ", Afzal giải thích. Với tốc độ 10.000 bit/ giây, họ đã có thể theo dõi vật thể mang thiết bị đánh dấu qua vùng nước sâu.

Tiềm năng khám phá đại dương

Nhóm của Adib đang nỗ lực cải tiến công nghệ UBL, giải quyết những thách thức như xung đột giữa tốc độ bit thấp cần thiết ở vùng nước nông và tốc độ bit cao cần thiết để theo dõi vật thể chuyển động.

Nhìn chung, các thử nghiệm của nhóm đã đưa ra một thiết bị trình diễn đáng chú ý ngay cả trong môi trường nhiều nhiễu như khu vực nước nông. Họ hy vọng UBL có thể góp phần thúc đẩy sự bùng nổ trong khám phá đại dương. Reza Ghaffarivardavagh, đồng tác giả nghiên cứu, lưu ý rằng các nhà khoa học hiện nay có bản đồ bề mặt mặt trăng chính xác hơn so với đáy đại dương. “Tại sao chúng ta không thể gửi các phương tiện không người lái dưới nước xuống khám phá đại dương? Câu trả lời là vì chúng ta sẽ mất chúng”, Ghaffarivardavagh nói. GPS có thể hoạt động ngoài không gian nhưng không hoạt động được dưới đáy biển, còn sóng âm hiện nay thì quá tốn năng lượng.

Một ngày nào đó, UBL có thể giúp định vị các phương tiện tự hành dưới nước mà không tốn năng lượng pin quý giá. Công nghệ này cũng có thể giúp các robot dưới biển hoạt động chính xác hơn và cung cấp thông tin về tác động của biến đổi khí hậu trong đại dương. Theo Adib, “Có rất nhiều ứng dụng. Chúng tôi hy vọng sẽ hiểu đại dương trên quy mô lớn".

Nghiên cứu này được hỗ trợ một phần bởi Văn phòng Nghiên cứu Hải quân Hoa Kỳ và đã được công bố tại hội thảo của Hiệp hội Tính toán Hoa Kỳ.


    Nguồn: /

    Kỹ sư Canada chế tạo camera nhanh nhất thế giới

    Các ngành công nghệ

    Các kỹ sư ở Trung tâm nghiên cứu viễn thông INRS Énergie Matériaux phát triển camera nhanh nhất thế giới, có thể chụp ở tốc độ 156,3 nghìn tỷ khung hình/giây (fps).

    Robot sát thủ tích hợp AI trở thành mối lo ngại trong các cuộc xung đột

    Các ngành công nghệ

    Đây là một chủ đề đã được bàn luận nhiều lần, robot sát thủ vẫn đang là mối lo ngại, đặc biệt khi nó được tích hợp trí tuệ nhân tạo.

    Trung Quốc chế tạo chip AI siêu tiết kiệm năng lượng

    Các ngành công nghệ

    Hai loại chip AI mới giúp thực hiện việc điều khiển bằng giọng nói ngoại tuyến và phát hiện cơn động kinh có mức tiêu thụ năng lượng rất thấp.

    Giải pháp in 3D xây trường học nhanh thần tốc trong khu chiến sự

    Các ngành công nghệ

    Chỉ mất 40 giờ đồng hồ, các bức tường của dự án thí điểm trường tiểu học Lviv (Ukraine) đã được hoàn thiện nhờ chiếc máy in 3D COBOD.

    Châu Âu mở đường hầm thử nghiệm tàu siêu tốc 1.000km/h

    Các ngành công nghệ

    Đường hầm dài nhất châu Âu để thử nghiệm công nghệ tàu siêu tốc Hyperloop mở cửa hôm 27/3 tại Hà Lan.

    Nguyên mẫu máy bay chở khách siêu thanh 2.100km/h bay thử

    Các ngành công nghệ

    Nguyên mẫu XB-1 của máy bay chở khách siêu thanh Overture hoàn thành mọi mục tiêu thử nghiệm, bao gồm đạt độ cao 2.170m và tốc độ 440km/h.

    Ứng dụng AI chẩn đoán và gợi ý bài tập trị đau lưng mãn tính

    Các ngành công nghệ

    Ngày 21/3, gã khổng lồ công nghệ NEC của Nhật Bản thông báo hợp tác với Đại học Y và Nha khoa Tokyo để phát triển công nghệ sử dụng AI chẩn đoán nguyên nhân gây ra chứng đau lưng mãn tính.

    Những phát minh quan trọng của người Hà Lan

    Các ngành công nghệ

    Hà Lan là một quốc gia nhỏ nhưng đóng một vai trò quan trọng trong lịch sử của những phát minh lớn.

    Cấu trúc ván gỗ dạng origami có thể chịu tải và xếp gọn

    Các ngành công nghệ

    Với công nghệ cắt laser và ghép nối các tấm ván hình tam giác có độ dày đồng nhất, nhóm kỹ sư tạo ra những cấu trúc chịu tải tốt.

    Robot AI giúp phát hiện hoa tulip bị bệnh

    Các ngành công nghệ

    Hãng tin AP giới thiệu một robot trí tuệ nhân tạo (AI) tên Theo là vũ khí công nghệ cao mới trong cuộc chiến loại bỏ dịch bệnh trên hoa tulip bùng phát vào mùa xuân.